Con i laser a fibra monomodale che raggiungono i 10 kW e quelli multimodali che raggiungono i 50 kW, i laser a fibra stanno uscendo dal campo industriale e stanno entrando nelle applicazioni militari, diventando un candidato per le armi laser ad alta energia impiegate sui campi di battaglia.
Nei primi giorni della tecnologia laser, il modo migliore per ottenere un'uscita laser ad alta potenza era estrarre energia da grandi volumi di materiale laser. Ci sono ancora alcune applicazioni che utilizzano questo approccio, come la National Ignition Facility (NIF) presso il Lake Trent National Laboratory, che utilizza grandi amplificatori in vetro per amplificare gli impulsi a 1,8 M. Ma per molte applicazioni industriali, la fibra drogata con itterbio è diventata la scelta ideale per i supporti laser ad alta potenza.
I laser a fibra hanno fatto molta strada in termini di potenza da quando Elilas Snitzer inventò il primo laser a fibra nel 1963. Nel giugno 2009, IPG Photonics ha rilasciato un laser a fibra monomodale a onda continua con una potenza di uscita di 10 kW al Munich Laser Show e alla Solid-State Laser and Semiconductor Laser Conference ospitata dalla Directed Energy Professionals Society (DEPS). Bi Shiner, vicepresidente dei mercati industriali presso IPG Photonics, ha affermato che IPG ha prodotto laser a fibra multimodale con potenze di uscita fino a 50 kW e Raytheon ha testato le loro potenziali applicazioni come armi laser. Tuttavia, l'attività principale di IPG è ancora quella delle applicazioni di lavorazione dei materiali industriali, dal taglio di wafer di silicio per celle solari alla saldatura robotica di piastre metalliche.
Perché scegliere la fibra?
Similmente ad altri laser pompati a diodi, i laser a fibra convertono essenzialmente i laser a pompaggio di bassa qualità in output laser di qualità superiore, che possono essere utilizzati in molti campi come il trattamento medico, la lavorazione dei materiali e le armi laser. In termini di raggiungimento di output ad alta potenza, i laser a fibra hanno due importanti vantaggi: uno è il processo dalla luce di pompaggio alla luce di output di alta qualità, che ha un'elevata efficienza di conversione; l'altro è una buona capacità di dissipazione del calore.
Il motivo per cui i laser a fibra possono raggiungere un'elevata efficienza è dovuto principalmente al pompaggio a diodi, alla selezione attenta del mezzo di drogaggio del guadagno e alla progettazione ottimizzata della fibra. La fibra ottica utilizzata nei laser a fibra ad alta potenza contiene un nucleo interno drogato con mezzo di guadagno e un nucleo esterno che confina la luce di pompaggio. La luce di pompaggio può entrare nel nucleo esterno attraverso la faccia terminale della fibra o essere accoppiata nel nucleo esterno lungo il lato della fibra in una direzione quasi parallela all'asse della fibra (vedere Figura 1). Quest'ultimo metodo è chiamato "pompaggio laterale", ma non significa che la luce di pompaggio entri nella cavità laser lateralmente come un laser di massa. Una volta che la luce di pompaggio viene introdotta nel nucleo esterno, passerà ripetutamente attraverso il nucleo interno lungo la fibra per ottenere un pompaggio efficiente. Successivamente, la radiazione stimolata viene condotta lungo il nucleo interno e accumula continuamente energia per emettere luce laser ad alta intensità.
La maggior parte dei laser a fibra ha dei droganti, perché lo specchio selettivo può ottenere una piccola perdita quantica (la differenza di energia tra il fotone di pompaggio e il fotone di uscita). Quando si utilizza la luce di pompaggio a 975 nm per produrre una luce di uscita a 1035 nm, il valore di perdita quantica è solo del 6%. In confronto, la perdita quantica di un laser drogato al neodimio pompato a 808 nm e con uscita a 1064 nm è pari al 20%. Perdite quantiche più piccole consentono all'efficienza di pompaggio ottico-ottico dei laser drogati con fibra di superare il 60%, il che, combinato con l'efficienza di conversione elettro-ottica del 50% del diodo di pompaggio, significa che l'efficienza di conversione totale del laser a fibra può raggiungere il 30%.
La struttura della fibra ha una grande area superficiale per unità di volume, che aiuta il laser a fibra a dissipare il calore, ma anche con il raffreddamento ad acqua, la dissipazione del calore ne limiterà le prestazioni. Cinque anni fa, i ricercatori speravano di produrre potenze maggiori aumentando il livello di drogaggio e le dimensioni del nucleo interno, ma Johan Nilsson dell'Università di Southampton ha affermato che a potenze medie elevate, poiché il calore residuo è difficile da rimuovere dalla fibra, "la limitazione dell'effetto termico è tornata".
